621.317.757; 621.376.3.
ЭТАЛОН КОЭФФИЦИЕНТА АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИИ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ КОЛЕБАНИЙ
Ю. Д.БОЛМУСОВ, В. А.МАРТЫНОВ, Е. Л.СКВОРЦОВ, Н. В.КУВАЕВА
Известные отечественные эталонные средства измерения (ЭСИ) коэффициента амплитудной модуляции (КАМ) высокочастотных колебаний [1,2] строились по принципу набора ряда специализированных источников АМ сигналов, работающих на фиксированных несущих частотах, и устройств калибровки в реперной точке Мвн=100 % с использованием осциллографического индикатора. Для воспроизведения значений КАМ, меньших 100 %, как правило, использовался прецизионный делитель модулирующего напряжения.
Наличие трудоемких операций ручной калибровки, низкая температурная и временная стабильность установленных значений КАМ, делают измерения и передачу единицы весьма сложными и трудоемкими. Положение усугубляется тем обстоятельством, что при малых КАМ (менее 2-3%) в известных ЭСИ из-за значительного уровня собственных амплитудных шумов («паразитной АМ») не обеспечивается требуемый запас по точности. И поэтому для поверки ЭСИ 1-го разряда используется трудоемкий и менее достоверный (чем компарирование) метод измерения [3] по частным составляющим.
Базируясь на новых исследованиях по созданию эталонных источников АМ сигналов и методов калибровки КАМ, последних достижениях зарубежной электроники в области элементной базы, микропроцессорных и компьютерных технологиях, научно-производственное предприятие «Радио, приборы и связь» г. Нижний Новгород, разработало полностью автоматизированный эталон коэффициента АМ нового поколения. Разработка эталона согласно технического задания проводилась для статуса рабочего эталона КАМ (РЭКАМ). Однако, реально полученные и приводимые ниже метрологические характеристики превосходят требования стандарта [4] к вторичному (рабочему) эталону.
Эталон предназначен для воспроизведения, хранения и передачи КАМ высокочастотных колебаний средствам измерений в диапазоне значений КАМ (0,1 – 100) %, в диапазоне несущих частот (0,01 – 500) МГц и в диапазоне модулирующих частот (0,02 – 200) кГц.
В основу построения эталона положен принцип с использованием активной многозначной меры (калибратора КАМ), работающей на одной фиксированной несущей частоте и широкополосного компаратора (специализированного измерителя модуляции) с помощью которого
КАМ передается во всем требуемом диапазоне несущих частот от 10 кГц до 500 МГц другим (нижестоящим) средствам измерений.
Укрупненная структурная схема эталона приведена на рисунке.
 | |
 | |
 | |
| |
|
Основу эталона составляют функционально законченные устройства: калибратор КАМ, компаратор КАМ, устройство управления (микро-ЭВМ), размещенные конструктивно в одном корпусе, а также внешний персональный компьютер (ПК).
Калибратор АМ содержит формирователь амплитудно-модулированного сигнала (ФАМС), устройство калибровки (УК), делитель модулирующего напряжения (ДМН) и генератор модулирующих напряжений (ГМН).
В ФАМС с использованием специального модулятора на кварцованной частоте 25 МГц формируется измерительный АМ сигнал с прецизионно-малыми линейными (частотными) и нелинейными искажениями огибающей АМ. Модуляция ФАМС синусоидальным сигналом (в режиме внутренней АМ) осуществляется от ГМН, работающего на фиксированных частотах в диапазоне 20 Гц – 200 кГц. Генератор имеет малый уровень нелинейных искажений (0,005 – 0,03%) и высокую стабильность амплитуды выходного напряжения.
Автоматизированная калибровка коэффициента АМ на всех модулирующих частотах осуществляется в реперной точке М=100%. Для воспроизведения других коэффициентов АМ в диапазоне от 0,1 % до 100 % с дискретностью через 0,1 - 1 % используется ДМН.
Калибровка коэффициента АМ в реперной точке М =100 % производится оригинальным методом [5-7], суть которого заключается в следующем.
Модулятор (экспериментально исследовались диодные кольцевые модуляторы и интегральные перемножители) в режиме короткозамкнутого модулирующего входа балансируют, добиваясь максимального (более 80–86 дБ) подавления сигнала несущей частоты на его выходе. Затем на модулирующий вход (в пределах линейного участка модуляционной характеристики) одновременно подают постоянное опорное напряжение Ео и модулирующее синусоидальное напряжение с амплитудой UW. При этом, на выходе модулятора формируется модулированный сигнал с коэффициентом АМ, зависящий только от отношения двух напряжений
М = (UW / Ео ) ·100 % (1)
Из (1) следует, что в точно сбалансированном модуляторе задача калибровки в реперной точке М=100 % сводится к уравниванию напряжений UW и Ео . Принципиально важным является то обстоятельство,
что, при данном способе формирования АМ сигнала в отличие от других известных, коэффициент АМ при калибровке в реперной точке не зависит от крутизны управления по модулирующему входу модулятора. Процедура
уравнивания напряжений UW и Ео достаточно точно может быть выполнена с использованием измерительного термопреобразователя. Однако, ввиду
низкого быстродействия термопреобразователей, в разработанном калибраторе используется другое решение. Постоянное опорное напряжение Ео формируется стабильным источником напряжения постоянного тока. Модулирующее напряжение (UW) измеряется путем детектирования с помощью быстродействующего широкополосного преобразователя переменного напряжения в постоянное и аналого-цифрового преобразователя (АЦП) устройства управления.
Точная подстройка амплитуды модулирующего сигнала в реперной точке М=100% (для выполнения условия UW = Ео) осуществляется цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП), регулирующим опорное напряжение в системе стабилизации выходного напряжения ГМН. Для исключения влияния дрейфа коэффициента передачи широкополосного преобразователя на погрешность измерения, перед каждым измерением амплитуды модулирующего сигнала, коэффициент передачи измеряется по тестовому сигналу формы «меандр» со стабильной амплитудой и скважностью. Тестовый сигнал формы «меандр» формируется от единого опорного источника постоянного напряжения (Ео) с помощью специального формирователя. Реализованный в эталоне широкополосный преобразователь переменного напряжения в постоянное имеет малую частотную неравномерность: 0,05 % в диапазоне (0,02 – 100) кГц и до 0,2 % в диапазоне до 200 кГц. Для полного исключения влияния частотной неравномерности преобразователя на погрешность калибровки используется программная коррекция, осуществляемая по специальной методике при первичной регулировке эталона. Точная балансировка модулятора по «амплитуде» и «фазе» [7] проводится с помощью цифро-аналоговых преобразователей узла калибровки.
При построении ФАМС использован комплекс мер схемотехнического и конструктивно-технологического характера для получения одновременно высокой температурной и временной стабильности параметров модулированного сигнала, малых нелинейных искажений огибающей АМ, малого уровня амплитудного шума и фона. Коэффициент гармоник огибающей АМ в разработанном модуляторе не превышает 0,025 % при М=100 %, а паразитная АМ шумового и фонового характера не превышает: 0,003 % в полосе (0,3 – 3,4) кГц; 0,005 % в полосе (0,02 – 20) кГц и 0,015 % в полосе (0,02 – 200) кГц. Указанные шумовые характеристики обеспечивают достаточные запасы по точности при воспроизведении малых (0,1 – 3) % значений КАМ.
В процессе теоретических и экспериментальных исследований выявлены и систематизированы следующие доминирующие составляющие
неисключенной систематической погрешности (НСП) воспроизведения КАМ.
Аппаратурная погрешность (δ1) автоматизированной калибровки в реперной точке М=100 %. На величину этой частной составляющей погрешности влияют следующие факторы:
- уровень не скомпенсированного «остатка» несущей на выходе модулятора;
- точность (дискретность) подстройки модулирующего напряжения;
- методическая погрешность определения амплитуды (пик-фактора) модулирующего сигнала;
- нестабильность частотной характеристики широкополосного детектора, используемого для измерения модулирующего напряжения;
- нестабильность частотных характеристик полосового фильтра в тракте формирования АМ сигнала.
Погрешность (δ2) из-за нелинейности модуляционной характеристики модулятора. Эта составляющая погрешности проявляется двояко. Во-первых, гармоники огибающей АМ напрямую приводят к погрешности воспроизведения пиковых значений КАМ. Во-вторых, использование делителя модулирующего напряжения для воспроизведения значений М<100 %, даже при идеальном (без погрешностей) делителе приводит к дополнительной погрешности воспроизведения. Как показано в работах и , результирующая погрешность за счет нелинейности модулятора при Мвв=100 % и Мвн=0,1 % может достигать значений
δ2 ≤ √(2Кг2)2 + (4Кг
где: Кг2 и Кг3- парциальные коэффициенты гармоник огибающей АМ сигнала соответственно по 2-й и 3-й гармоникам.
Погрешность (δ3) делителя модулирующего напряжения. Делитель модулирующего напряжения выполнен по принципу последовательно включенных перемножающего ЦАПа с резисторной матрицей R-2R и двух управляемых делителей напряжения с коэффициентом деления в 10 раз. Резисторная матрица реализована на термотренированных и специально отобранных по идентичности резисторах типа С2-29В одного номинала. Разброс сопротивлений в отобранной партии на постоянном токе не превышает ±0,005 %. Разработанные схемные решения обеспечили малую и частотную погрешность делителя (не более ±0,05 % на частоте 200 кГц).
Границы неисключенной относительной погрешности воспроизведения единицы КАМ при доверительной вероятности 0,95 определяются по формуле:
θ = 1,1 ∙ √ δ12 + δ22 + δ32 (3)
Результаты экспериментально измеренных (на трех образцах) частных составляющих погрешности и расчета границ НСП по формуле (3) приведены в таблице;
Диапазон модулирующих частот, кГц | 0,02 – 20 | 20 – 60 | 60 – 100 | 100 – 200 |
Частная погрешность δ1, % | 0,03 | 0,046 | 0,051 | 0,041 |
Коэффициент 2-й гармо-ники огибающей АМ Кг2, (дБ) | -74 | -72 | -71 | -71 |
Коэффициент 3-й гармо-ники огибающей АМ Кг3, (дБ) | -84 | -82 | -73 | -73 |
Частная погрешность δ2, % | 0,051 | 0,06 | 0,1 | 0,1 |
Частная погрешность δ3, % | ≤0,025 | менее ≤0,025 | ≤0,03 | ≤0,034 |
Границы НСП θ, % | 0,077 | 0,093 | 0,127 | 0,125 |
Компаратор КАМ, реализованный в эталоне, является многофункциональным устройством. Он выполняет функции:
- компаратора КАМ;
- высокоточного модулометра;
- специального приемника для балансировки АМ модулятора;
- измерителя уровня несущей и частоты внешних АМ сигналов;
- измерителя АМ шумов.
Кроме того, преобразователь частоты компаратора (совместно с синтезированным гетеродином) используются для формирования АМ сигналов с несущими частотами 0,01 – 4 МГц (дополнительная функция в эталоне).
Компаратор КАМ (см. рисунок) условно обозначен в виде трех блоков: блока ВЧ, блока ПЧ и блока НЧ. Блок ВЧ включает в себя входной регулируемый аттенюатор (диапазон ослабления 0=31 дБ, дискретность 1 дБ) смеситель и синтезированный гетеродин. В блок ПЧ входят коммутируемый предварительный усилитель ПЧ, фильтры селекции с полосами 0-15 кГц; 0-2 МГц и 0-5 МГц, усилитель промежуточной частоты с системой АРУ и высококачественный демодулятор. Блок НЧ содержит набор переключаемых масштабных усилителей, фильтров нижних и верхних частот, а также три электронно-переключаемых детектора: пиковые детекторы (ПД+), (ПД-) и детектор среднеквадратических значений (СКД). Таким образом, компарирование может осуществляться
для значений КАМ М«вниз», М«вверх» и среднеквадратических значений М«скз».
В зависимости от диапазона несущих частот, компаратор работает в двух режимах: супергетеродинного приемника (диапазон 4 –500 МГц) и в режиме приемника прямого преобразования (диапазон 0,01 – 4 МГц). В компараторе имеется устройство, которое в режиме компарирования любые значения компарируемых КАМ (в пределах декадной шкалы) масштабирует к верхнему пределу измерения АЦП УУ. Этим обеспечивается предельная разрешающая способность измерения АЦП.
Наличие широкополосного входного аттенюатора с дискретностью 1 дБ и системы прецизионной АРУ позволило уменьшить составляющую НСП передачи единицы КАМ из-за неравенства амплитуд компарируемых сигналов до уровня менее ±0,02 %. Синтезированный гетеродин позволяет точно уравнивать несущие частоты компарируемых АМ сигналов. Вышеизложенное и программная коррекция амплитудно-частотных характеристик фильтров в блоке НЧ обеспечивают НСП передачи единицы КАМ разработанным компаратором не более ±0,05 % во всём диапазоне несущих частот.
Компаратор КАМ имеет режим автоматизированной калибровки от калибратора АМ во всех устанавливаемых полосах модулирующих частот. Это превращает компаратор в высокоточный измеритель модуляции с основной погрешностью близкой к погрешности калибратора АМ (0,15 – 0,3) %.
Гибкая структура компаратора (входной управляющий аттенюатор, предварительный усилитель ПЧ с коммутируемым усилением) позволила достаточно оптимально адаптировать её ко всем выполняемым функциям. Малые нелинейные искажения детектирования огибающей при глубокой АМ (0,15 – 0,2 % при М = 95 %) одновременно сочетаются с малым уровнем собственных шумов компаратора:
Мшк=0,005 % в полосе 0,3 – 3,4 кГц;
Мшк=0,01 % в полосе 0,02 – 20 кГц;
Мшк=0,03 % в полосе 0,02 – 200 кГц.
Экспериментально измеренные совместно с калибратором КАМ значения среднего квадратического отклонения (СКО) при воспроизведении и передаче КАМ не превышают (1∙10-4∙М+ 0,005) % во всем диапазоне модулирующих частот и диапазоне КАМ (1 – 100) %.
Устройство управления (УУ) выполнено на основе высокопроизводительного контроллера 52-й серии фирмы «Atmel». В состав УУ, кроме однокристального контроллера, входят 12-ти разрядный высокоскоростной АЦП, энергонезависимое запоминающее устройство, мультиплексоры входов и интерфейсов, драйверы интерфейсов. Работой высокоскоростного АЦП управляет контроллер. Устройство управления выполняет следующие измерительные и управляющие функции в составе эталона:
- управление узлами и блоками эталона по семи последовательным каналам управления;
- измерения напряжений постоянного тока по семи аналоговым входам;
- измерение напряжений постоянного тока при наличии помех (остатков в продетектированном сигнале) с привязкой к фазе помехи;
- измерение частоты по четырем цифровым каналам;
- хранение постоянных и перепрограммируемых данных, калибровочных коэффициентов в энергонезависимой памяти;
- связь с внешним ПК по интерфейсу RS-232 и внешними приборами (при работе в измерительных системах) по интерфейсу RS-485.
Ввод, вывод, обработка, отображение и хранение всей информации осуществляется входящим в состав эталона ПК.
Разработанная прикладная программа «Эталон-АМ», работающая в операционной системе «Windows-98» обеспечивает:
· работу с составными частями эталона (калибратором КАМ и компаратором КАМ), как с отдельными функционально-законченными автоматизированными приборами, так и их совместную работу друг с другом;
· автоматизированную комплексную поверку ЭСИ 1-го разряда К2-34, К2-54, К2-55 и К2-83;
· автоматизированную автономную поверку эталона АМ;
· глубокую диагностику функционирования всех составных частей эталона;
Программное обеспечение содержит ряд сервисных подпрограмм, расширяющих возможности и упрощающих эксплуатацию эталона.
Метрологическое обеспечение эталона базируется, в основном, на известных подходах и методах [1,2], доработанных с учетом метрологических характеристик, конкретной структуры и состава аппаратуры.
Оригинальными являются методики определения погрешности автоматизированной калибровки в реперной точке (использован метод электронного нониуса с усреднением по ряду выборок) и частотной погрешности делителя модулирующего напряжения (метод сравнения с эталонным делителем по компаратору КАМ).
Эталон обеспечен методами и средствами его автономной поверки по всем нормируемым параметрам.
Построение эталона КАМ на базе специально разработанных малогабаритных модулей, использование новых схемно-конструктивных решений и новой элементной базы, оригинального метода и быстродействующих алгоритмов калибровки и измерений в сочетании с возможностями персонального компьютера, математической и статистической обработкой результатов измерений, позволило в сравнении с ЭСИ предшествующих поколений:
- в 2-3 раза уменьшить погрешности воспроизведения и передачи единицы КАМ;
- в 3-6 раз уменьшить уровень паразитной АМ (и примерно во столько же раз повысить точность) при воспроизведении и передаче единицы в области малых значений КАМ (0,1 – 3) %;
- в 5-10 раз уменьшить время поверки ЭСИ К2-34, К2-54, К2-56 и обеспечить полностью автоматизированную поверку ЭСИ нового поколения установки К2-83, разработанной взамен установки К2-55.
Производительность эталона иллюстрируется следующим примером. Время полностью автоматизированной поверки установки измерительной эталонной К2-83 на 8 несущих частотах и в 76 поверяемых точках не превышает 45 минут.
Основные метрологические характеристики РЭКАМ:
· фиксированные участки диапазона несущих частот от 0,01 до 500 МГц;
· диапазон модулирующих частот от 20 Гц до 200 кГц;
· пределы воспроизведения и передачи размера коэффициента амплитудной модуляции от 0,1 % до 100 %;
· неисключенная систематическая погрешность воспроизведения пиковых значений коэффициента АМ от 0,15 % до 0,3 %;
· неисключенная систематическая погрешность передачи единицы коэффициента АМ встроенным компаратором при отношении М/МК³10,
θк= ± (5·10-4 М),
где: М – компарируемое значение коэффициента АМ;
Мк – значение амплитудного шума и фона в тракте компаратора;
· среднеквадратическое отклонение (СКО) результата измерения при воспроизведении и передаче коэффициента АМ для десяти независимых наблюдений
SВП = ±(2·10-4 М + 0,01) %,
где: М – воспроизводимое и компарируемое значения единицы коэффициента АМ;
· значения амплитудного шума и фона АМ сигналов (0,,03) % в полосах пропускания от (0,3 – 3,4) кГц до (0,02 – 200) кГц соответственно;
· значения амплитудного шума и фона в тракте компаратора от 0,007 % до 0,04 % в полосах пропускания от (0,3 – 3,4) кГц до (0,02 – 200) кГц соответственно;
· мощность, потребляемая эталоном (без ПК) от сети (220 ± 22) В, частотой (50 ± 0,5) Гц не превышает 100 ВА;
· габаритные размеры (без ПКх 475 х 210 мм;
· масса эталона (без ПКкг.
Первый образец РЭКАМ в 2003 году введен в эксплуатацию в ФГУ «Нижегородский центр стандартизации, метрологии и сертификации» и обеспечивает поверку всех типов СИ параметров АМ колебаний из нового производства и эксплуатации.
В заключение ещё раз отметим, что по метрологическим характеристикам и составу аппаратуры разработанный эталон полностью удовлетворяет требованиям стандарта [4], предъявляемым к государственному первичному эталону. Поэтому, на его основе целесообразно создание государственного первичного эталона России взамен эталона, оставшегося в ХГНИИМ (г. Харьков) в Украине.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. и др. Новый государственный первичный эталон единицы коэффициента амплитудной модуляции высокочастотных колебаний / Измерительная техника. – 1985. № 11.
2. , , Соколовский обеспечение измерителей модуляции. Под ред. и . – М.: Воениздат, 1992.
3. и др. Метод измерения малых коэффициентов детерминированной амплитудной модуляции / Измерение параметров формы и спектра радиотехнических сигналов: Сб. научн. труд. НПП «ВНИИМ им. », - Л., 1988.
4. ГОСТ 8.109-97. Государственная поверочная схема для средств измерений коэффициента амплитудной модуляции высокочастотных колебаний. Издательство стандартов, 2001.
5. А. с. 1751695. Формирователь сигнала с калиброванными коэффициентами амплитудной модуляции /
6. А. с. 1767453. Калибратор амплитудной модуляции / ,
7. Болмусов воспроизведения АМ сигнала с калиброванными коэффициентами модуляции / Техника средств связи. Серия Радиоизмерительная техника. 1990. № 2.
Р Е Ф Е Р А Т
На основе новых исследований, последних достижений в области элементной базы, микропроцессорных и компьютерных технологий, разработан эталон коэффициента амплитудной модуляции высокочастотных колебаний нового поколения.
В статье изложены основные принципы его построения, приведены достигнутые метрологические характеристики. Дан анализ источников доминирующих составляющих погрешностей воспроизведения и передачи размера коэффициента амплитудной модуляции. Показано, что новый полностью автоматизированный эталон значительно превосходит эталонные средства предшествующих поколений по всем метрологическим и эксплуатационным характеристикам.
Сведения об авторах
1. , доктор технических наук, директор предприятия -производственное предприятие «Радио, приборы и связь», г. Н. Новгород.
2. , ведущий инженер предприятия -производственное предприятие «Радио, приборы и связь», г. Н. Новгород.
3. , заместитель директора предприятия -производственное предприятие «Радио, приборы и связь», г. Н. Новгород.
4. , начальник лаборатории радиотехнических измерений федерального государственного учреждения «Нижегородский центр стандартизации, метрологии и сертификации», г. Н. Новгород.
